Печать
Автор: Кокцинская Елена Кокцинская Елена
Опубликовано: 01 июля 2014 01 июля 2014
Просмотров: 8914 8914

 Самовосстанавливающиеся неорганические материалы или системы материалов представляют собой новую область материаловедения, возникшую относительно недавно и начавшую быстро развиваться. Источником вдохновения для этой новой области исследований является самовосстановление в биологических объектах. Большинство живых тканей или организмов могут излечить себя сами, при условии, что нанесенные повреждения умеренные. Например, после пореза тромбоциты вытекающей крови образуют сгустки, тем самым герметизируя дефект и позволяя коже восстановить себя. Трещина в костях залечивается за счет регенерации костного материала. Свойства же большинства инженерных материалов необратимо ухудшаются с течением времени из-за износа, хрупкого разрушения, усталостных напряжений, сдвиговых деформаций и других механизмов разрушения, что ограничивает срок службы различных компонентов и может вызывать серьезные повреждения. Притягательной идеей выглядит реализация способности самовосстановления в неорганических материалах, чтобы, когда в них образуются трещины или иные повреждения, заживляющий агент проникал в поврежденную область для "исцеления" ущерба, по существу запечатывая трещину.

 Поскольку инженерные системы становятся все более изощренными и имитируют все больше характеристик биологических систем, то в ближайшем будущем следует ждать реализации множества новых полезных концепций. Следует, однако, подчеркнуть, что биологические механизмы исцеления очень сложны и часто включают в себя много факторов, действующих одновременно. В частности, изучение биологических механизмов залечивания учеными-материаловедами, которые занимаются самовосстановлением материалов, показывает, что эти механизмы не могут быть непосредственно привлечены для искусственных материалов. Например, Ван дер Цвааг отмечает, что "в то время как в природе существует чрезвычайное разнообразие микроструктур и микроструктурных систем, а также широкое разнообразие залечивающих механизмов, неразумно прямо пытаться копировать эти механизмы для материалов, произведенных человеком. Инженерные материалы имеют свои особенности и при разработке эффекта самовосстановления, их собственные характеристики должны быть приняты во внимание."

На сегодняшний день самовосстановление наиболее успешно применено в полимерах, благодаря их относительно большим скоростям диффузии из-за наличия поперечных молекулярных связей. Один из способов создания самовосстанавливающихся полимеров состоит в использовании термореактивных полимеров и их способности к упрочнению за счет сшивания полимерных цепей. В качестве примера можно привести термореактивный эпоксидный полимер, образованный реакцией эпоксидной смолы с полиамином. Эпоксидный полимер может служить в качестве залечивающего агента, который хранится в тонкостенных инертных хрупких макрокапсулах, встроенных в матрицу вместе с катализатором или отвердителем (также находящемся в матрице, но отдельно от катализатора). При распространении трещины капсула ломается, залечивающий агент высвобождается и распространяется в трещину по капиллярам. При этом залечивающий агент смешивается с катализатором в матрице, вызывающим реакцию сшивки и затвердевания эпоксидной смолы, которая герметизирует трещины.

Другой подход включает использование термопластичных полимеров с различными способами включения залечивающего агента в материал. При таком подходе часто требуется нагрев для инициирования заживления, так как термопласты размягчаются и становятся текучими при повышении температуры.

Помимо полимеров, в настоящее время разрабатываются керамические самовосстанавливающиеся материалы, в основном упор сделан на композиты из бетона. Например, один из таких композитов сделан из полых стеклянных волокон и содержит воздухоотверждаемый герметик, встроенный в бетонную матрицу. Этот композит демонстрировал эффект самовосстановления, но у него наблюдалась значительная (10-40 %) потеря жесткости по сравнению со стандартным бетоном из-за наличия волокон. Ситуация, когда следует искать компромисс между самовосстановлением и механическими свойствами, в целом достаточно типична.

В рамках другого проекта с участием самовосстанавливающейся керамики, исследователи изучили поведение залечивающихся трещин и механических свойств муллитового композита, усиленного включением 15% об. карбида кремния (SiC). В самовосстанавливающихся керамических материалах часто используются окислительные реакции, при этом объем оксида превышает объем исходного материала. Как результат, продукты этих реакций, из-за увеличенных объемов, могут быть использованы для заполнения небольших трещин. Самовосстанавливающиеся нанокомпозиты представляют собой отдельную область исследований.

Тематика самовосстанавливающихся металлов и композитов привлекла серьезное внимание только в последние 10 лет. Металлические материалы гораздо труднее самозалечивать, чем полимеры, потому что атомы металла сильно связаны между собой и имеют небольшие размеры и низкие коэффициенты диффузии. В настоящее время существует три основных направления, которые приняты для самовосстановления металлических систем.

Во-первых, это формирование осадка на дефектных местах, который останавливает дальнейший рост разрушения. Данный механизм получил название "предотвращение повреждения", потому что идея состоит в предотвращении образования пустот диффузией осадка из перенасыщенного твердого раствора (сплава). Движущим механизмом диффузии является превышение поверхностной энергии при образовании микроскопических пустот и трещин, которые, таким образом, служат зародышами осадка - залечивающего агента, заполняющего пустоты. В результате образовавшиеся пустоты герметизируются до их дальнейшего роста, и, таким образом, сводится к минимуму усталостные напряжения и сдвиговые деформации.
Кроме того, используется другой подход: укрепление матрицы из сплава микроволокнами или нитями, изготовленными из сплава с памятью формы (СПФ), например, нитинола (NiTi). СПФ-нити способны к восстановлению своей первоначальной формы после произошедшей деформации, если они нагреты выше некоторой критической температуры. Если композит подвергается растрескиванию, нагрев материала активирует восстановление формы нитей СПФ, которые сжимают трещины и закрывают их. Третий подход заключается в использовании залечивающего агента (например, сплава с низкой температурой плавления), встроенного в металлическую матрицу, аналогично тому, как это делается в полимерах. Однако введение залечивающего агента в металлический материал гораздо более трудная задача, чем в случае полимеров. В частности, агент должен быть заключен в микрокапсулы, которые служат диффузионными барьерами и разламываются, когда возникает трещина.

Самовосстановление можно рассматривать как процесс самоорганизации, который приводит к увеличению упорядоченности материала и, таким образом, уменьшает энтропию. С точки зрения термодинамики, самовосстановление является неравновесным процессом. В большинстве методик, самовосстанавливающийся материал выводится из термодинамического равновесия либо самим процессом ухудшения, или с помощью внешнего фактора, например, нагрева. После этого композит медленно восстанавливает термодинамическое равновесие, и этот процесс восстановления равновесия приводит в действие механизм залечивания.

Подробнее о самовосстанавливающихся материалах можно прочитать в научной статье "Умные" материалы и их применение (обзор)

 Литература:

M. Nosonovsky, P.K. Rohatgi “Biomimetics in material science”. – Springer. – 2012. - 415 p.